(中广核核电运营有限公司)
摘要:本文介绍了某核电厂汽轮机进汽调节阀门液压驱动油缸发生泄漏的问题，分析了造成该种液压驱动油缸活塞杆动态密封泄漏的主要原因，对引起密封失效的相关因素提出了对应的改进措施，及时消除了重要设备漏油缺陷，保证了汽轮机进汽阀的正常运行，也避免了因漏油产生的火灾风险。
关键词:汽轮机；进汽阀；液压；油缸；密封失效；泄漏
0.引言
某核电厂汽轮机进汽阀门的开关与调节功能是采用一套液压控制系统来实现的，液压控制系统选用了一种燃点相对普通矿物油更高的磷酸酯抗燃油作为介质，油站泵送设备可将介质以稳定的压力源源不断地供应给液压驱动油缸，用来操作汽轮机进汽阀门。阀门驱动机构的机械液压部分主要由油缸、电液伺服阀、液压集管块、重型关闭弹簧以及连接反馈机构组成，驱动机构初始安装后，在有预压缩的重型关闭弹簧作用下，进汽阀门处于关闭状态，是一种非能动关闭方式。电液伺服阀可将控制电信号转换为液压控制油流，再通过液压集管块将高压油输入到油缸中，克服重型关闭弹簧的作用力，将进汽阀门开启；反之，只需将油缸中的高压油卸掉，进汽阀门即可在重型关闭弹簧的作用力下关闭；另加上连接反馈机构的作用，还可实现油缸驱动力与重型关闭弹簧作用力在任意位置的平衡，实现进汽阀门行程范围内的开度调节。
1.液压驱动油缸结构简介
1.1 整体结构介绍
某核电厂汽轮机进汽调节阀门液压驱动油缸结构示意图见图1，液压驱动油缸主要由缸体、活塞套、活塞杆（与活塞套配合的凸出部分整体称作为活塞）、导向铜套、大端盖、小端盖以及上述各部件之间的密封件组成，是一种双向往复动作油缸，但因进汽阀门关闭是非能动方式，动力油流只能单侧进出，油缸内部通过活塞分隔成两个腔室，一侧只作为动力腔室，称为高压腔；另一侧始终与回油直接连通，称为低压腔。缸体、大端盖、小端盖均是静止部件，三者之间是静态密封形式，活塞杆是运行部件，其与小端盖之间为动态密封形式，导向铜套属于一种滑动轴承，启到活塞杆导向与径向支撑的作用。
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图1 液压驱动油缸结构示意图
1.2 活塞杆动态密封结构与机理
液压驱动油缸的活塞杆动态密封结构示意图见图2，小端盖与活塞杆之间设计加工有一定量的径向间隙，防止动静金属部件直接接触碰磨，小端盖内圆周面上加工有三条环形槽道，密封槽内安装有一个由橡胶圈与聚四氟乙烯环组成的方形复合密封，也即是活塞杆动态密封件，直接与活塞杆表面接触并产生一定的压缩，启到动态密封作用；检漏槽是一条空的环形槽道，内部不安装任何部件，同时检漏槽通过一条检漏孔道直接与外界接通，启动密封油膜残油收集与引漏作用，另外当内侧复合密封失效泄漏时，也可直观地检查到漏液，启到检漏作用；刮油槽内安装有一个橡胶梯形刮油环，在外侧部分直接与活塞杆表面接触也产生一定的压缩，在活塞往复运动时，及时清洁活塞杆表面，启到防尘作用，另外也启到无压密封作用，给内侧检漏槽形成封闭空间，防止漏液沿活塞杆表面带出。
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图2 活塞杆动态密封结构示意图
在往复运动中，活塞杆动态密封依靠活塞杆表面与密封件之间油膜中的弹性流体动压起作用，活塞杆动态密封机理与润滑受活塞杆带进密封接触面的液压流体的行为支配。在活塞杆向外运动时，密封件应从活塞杆表面刮除大多数度液压流体，但总有一层很薄的液膜粘存在滑动表面并被拖过密封和活塞杆之间的界面，形成密封间隙，厚度一般不超过1μm，活塞杆动态密封必须具有良好的润滑，既要避免出现干摩擦，又要防止泄漏量过大，因此对活塞杆表面光滑度要求很高，同时对清洁度也很苛刻，在静态与动态中始终保证密封间隙中的薄膜完整，形成可靠的临界密封。
2.异常描述
某核电厂汽轮机功率运行期间，运行人员从仪表监视盘上发现汽轮机进汽调节阀门开度曲线存在不同程度的波动，核实并非功率调节响应所致，就地观察进汽调节阀均存在小幅高频抖动现象，因未影响到机组功率变化，设备继续保持运行，但经过一段时间的跟踪观察，现场发现液压驱动油缸出现了不同程度的泄漏，漏液是从与油缸检漏槽相通的检漏孔中漏出来的，收集部分漏液进行外观检查，漏液中悬浮着较多的黑色橡胶碎末。另自发现泄漏开始，运行人员每天均进行泄漏量测量，液压驱动油缸的泄漏速度存在逐渐增大的趋势，单台油缸测量记录到的最大泄漏量达到了83.28L/天，未达到活塞杆密封完全失效的最大计算泄漏量185.81L/天。
3.泄漏原因分析与处理
3.1 油缸解体检查情况
在某核电厂机组停机大修窗口下，对日常运行期间发生泄漏的进汽调节阀门液压驱动油缸进行了解体检查，发现油缸活塞杆动态密封组件状态存在明显异常，刮油环严重腐蚀破损，存在部分质量缺失，有明显溶胀现象，质地疲软；复合密封的聚四氟乙烯环磨损严重，最薄处厚度已由原始的1.2mm磨成了约0.3mm；复合密封的橡胶圈也有一定的磨损，磨损厚度约为0.4mm，但未发生溶胀现象，质地也比较结实；小端盖检漏槽中残留有大量橡胶碎屑和网状乙烯残屑。另外检查原始光滑且表面镀铬处理的活塞杆，在工作行程范围内也存在轴向磨损痕迹，程度较轻微，油缸其它部件检查未见异常。
3.2 动态密封泄漏分析
经分析刮油环严重腐蚀与溶胀表现出的是一种典型化学反应后症状，从系统与设备结构上排查，刮油环最可能接触到的化学品就是磷酸脂抗燃油，查询该电厂系统设备上游文件，对于使用在汽轮机进汽阀门液压驱动油缸上所有橡胶制品必须是与磷酸脂抗燃油兼容的氟橡胶，而氟橡胶制品最大的特点是密度大于1.7g/cm3，使用密封仪对拆下的旧刮油环和历史检修遗留下的同批次刮油环备件测量，密度均约为1.3g/cm3，确认刮油环严重腐蚀与溶胀异常为历史检修更换了材质不耐抗燃油腐蚀的刮油环备件所致。使用同样方法对复合密封的橡胶圈进行密度测量，结果为2.0g/cm3，确认为氟橡胶材质。
从油缸活塞杆动态密封结构与机理上分析，刮油环发生腐蚀后，出现破损，产生橡胶碎屑，不仅起不到防尘作用，而且产生的橡胶碎屑与外界灰尘颗粒一起形成了异物，这对于表面光滑度要求高、清洁度也很苛刻的活塞杆动态密封结构的破坏是致命的，随着油缸活塞杆的往复运动，异物通过中间的检漏槽后，到达内侧复合密封与活塞杆的接触面，破坏了原始建立起的良好薄膜密封，进而导致复合密封失效产生泄漏。异物还可能被夹在复合密封与活塞杆表面之间，活塞杆表面与复合密封之间出现高低不平的配合间，薄膜润滑作用失效，随着运行时间的增长，起主要密封作用的聚四氟乙烯环磨损逐渐加深，泄漏加剧。另外一些硬质颗粒异物进入还能损坏活塞杆表面光滑的镀铬层，进一步加剧了磨损，这种恶性循环也佐证了油缸泄漏逐渐增大的趋势现象。
另外现场发现控制进汽调节阀门液压驱动油缸的伺服阀工作不稳定，引起油缸活塞杆频繁抖动，还有油缸活塞杆无保护地裸露在外界环境中，表面易积聚杂质等外界因素也促成了刮油环失效后活塞杆密封件磨损的加剧。
3.3 异常处理与改进
针对上述原因分析，梳理了引起液压驱动油缸泄漏的相关因素，针对性地落实了对应的处理与改进措施：更新采购了材质满足要求的氟橡胶刮油环，机组大修中对汽轮机进汽阀门液压油缸进行了反馈性翻新检修，同时改进落实了相关备件材质确认管理流程，确保备件满足系统设备；对出现磨损的液压驱动油缸活塞杆统一进行了镀铬层修复处理；改进了控制进汽调节阀门液压驱动油缸伺服阀的检修策略与在线测试验证再鉴定，保证了伺服阀工作的稳定性，消除了运行期间油缸活塞杆频繁抖动缺陷；改善了油缸安装位置现场环境条件，减轻了外界杂质对活塞杆表面的污染。
某核电厂汽轮机进汽调节阀门液压驱动油缸经过上述处理与改进后，再次投入运行，未再出现异常泄漏，另经长期运行验证，到达液压驱动油缸定期全检周期后，解体检查油缸内部密封状态仍良好，实践证明了该种液压驱动油缸泄漏原因明确、改进措施得当。
4.结束语
液压油缸广泛使用在工程机械领域，其最常见的故障现象是泄漏，而活塞杆动态密封失效又是泄漏中最常见，根据不同类型的密封结构与失效模式，深入了解分析活塞杆动态密封的失效机理，可以为提高液压油缸工作可靠性提供依据，本次液压驱动油缸泄漏分析与处理具有一定的参考意义。
参考文献:
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